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高质量枸杞基因组被公开

2021.6.04

　　2021年6月3日，Nature旗下期刊Communications Biology发表了宁夏农林科学院曹有龙研究员团队与福建农林大学刘仲健教授团队等合作完成的“Wolfberry genomes and the evolution of Lycium (Solanaceae)” 的重要成果。该成果对13个枸杞物种进行测序，通过基因组学分析阐明了茄科祖先形成的基因工具包,揭示了茄科自交不亲和、草本与木本分化；枸杞开花调控、果实发育与多糖合成的分子机制，为茄科的进化及多样性研究提供了新的视角。值得一提的是，该论文中“枸杞”以汉字形式出现在论文原文中。

　　茄科（Solanaceae）约有95属近2300种，广泛分布于世界热带和温带地区。其中辣椒、西红柿、茄子、枸杞、马铃薯、烟草是世界重要的经济作物。茄科枸杞属（Lycium）约有80种，主要分布于亚洲、非洲、美洲以及澳大利亚的亚热带地区，而这种分布格局如何形成一直以来没有定论。同时，与茄科（Solanaceae）西红柿、马铃薯、烟草等其它物种相比，枸杞属物种进化为木本灌木并适生于盐碱和干旱地区。枸杞是研究茄科植物进化的关键物种，解析其基因组可为理解枸杞的成种机理、形态特征形成的分子机制和揭示茄科的进化提供依据。

　　因此，曹有龙研究员领衔的研究团队以宁夏（红）枸杞（L. barbarum）为重点，辅以黑枸杞（L.ruthenicum），选取了来自中国和南美、北美、中东等国家和地区的13个枸杞代表性物种进行基因组测序。为了克服枸杞基因组存在高杂合度影响组装质量的难题，研究团队成功地对宁夏枸杞进行花药离体培养，建立了单倍体植株体系并进行基因组测序，获得了contig N50 =10.75 Mb的染色体水平的高质量组装，获得了枸杞基因组基础数据。在此基础上，研究团队通过基因组进化分析，构建了茄科系统进化树，阐明了茄科物种形成的基因工具包（toolkit）。同时，研究发现枸杞经历了全基因组六倍化事件，该事件与茄科现存物种共享且发生于茄科与旋花科（Convolvulaceae）分化之后。基因功能分析发现，枸杞存在自交不亲和的染色体与关键基因，该基因调控枸杞配子体自交不亲和途径和维持二倍体枸杞的高杂合率。基因组比较分析揭示了枸杞木质素的合成途径和调控基因,CAD-like基因和LAC-like基因的串联重复是导致茄科木本与草本生活型分化的关键，而枸杞木本植株的进化是对盐碱和干旱胁迫的适应；

　　MADS-box 基因功能分析阐明了调控枸杞的花发育和多年生开花的分子机理，其中FLC-like 基因的扩张调控枸杞的开花时间。同时，研究结果揭示了调控枸杞果实发育与成熟的相关基因的分子机制，以及枸杞果实中枸杞多糖（LBP）的生物合成通路，发现SWEET基因串联重复调控枸杞多糖的生物合成。基因组结合转录组分析结果表明，R2R3-MYB-like基因和FACS-like基因分别调控枸杞果实花青素与胡萝卜素合成，从基因组层面上解释了枸杞红色和黑色果实形成的分子机理。此外，生物地理分析揭示了枸杞的起源与扩散分布格局；枸杞起源于南美洲，扩散至非洲并成为亚洲枸杞的祖先，它从非洲扩散至中东再进入中国，最后扩散至北美。因此，北美的枸杞可能来自于东亚，而不是来自南美。

　　项目取得了多项创新性成果。它对于茄科和枸杞的起源、进化和多样性形成的分子机制理解以及应用研究具有重要的科学意义。Communications Biology 对文章也予以高度评价，将“枸杞”的中文字首次刊印在文中，并对文章做了如下评论：Cao, Li, et al. sequence 13 perennial woody plant species of Lycium, and specifically provide a draft assembly of L. ruthenicum and a chromosome-level assembly of L. barbarum, the wolfberry or Goji berry. From a phylogenetic tree the authors identify an ancient hexaploidization event, and report the evolution of gene families including fruit ripening, fruit coloration, polysaccharide synthesis and self-incompatibility within Solanaceae and the general biogeography of L. barbarum.

　　宁夏农林科学院曹有龙研究员、李彦龙助理研究员、樊云芳研究员、比利时根特大学李臻博士和日本大成株式会社Yoshida Kouki博士为文章的共同第一作者。宁夏农林科学院曹有龙研究员、福建农林大学刘仲健教授、中国台湾成功大学蔡文杰教授、日本琦玉大学叶颛明副教授以及比利时根特大学Yves Van de Peer教授为文章的通讯作者。中科院华南植物园、河北农业大学、日本国家先进工业科学和科技研究所、武汉大众源生科技服务有限公司等单位的相关人员也参与了本项研究。本项目获得宁夏农林科学院一二三产业融合发展科技创新示范项目（YES-16-04）、宁夏农林科学院科技创新先导资金项目（NKYG-14-15）、宁夏农林科学院自主研发项目（NXYG-13-18）和国家自然科学基金项目（31360360）等项目资助。

基因枸杞茄科

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